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COMITÊ BRASILEIRO DE BARRAGENS XXXI - SEMINÁRIO NACIONAL DE GRANDES BARRAGENS - SNGB BELO HORIZONTE – MG, 15 A 18 DE MAIO DE 2017 T.3 – A.15

XXXI Seminário Nacional de Grandes Barragens - SNGB 1

O USO DA TECNOLOGIA INSAR (INTERFEROMETRIA DE RADAR DE ABERTURA SINTÉTICA) PARA O MONITORAMENTO DA ESTABIL IDADE DE

BARRAGENS

Carolina de Athayde Pinto Geóloga/Técnica – IDS Engenharia de SistemasLtda.

Ciscu Sánchez

Geólogo/Técnico InSAR – TRE ALTAMIRA

Samuel Ricardo Carvalho Carneiro Engenheiro Geólogo Geotécnico, MSc. – Samarco Mineração S.A.

Breno De Matos Castilho

Engenheiro Civil – Samarco Mineração S.A.

RESUMO Esse artigo descreve como os dados de Radar de Abertura Sintética (SAR) foram obtidos e processados e apresenta os resultados para a mina de minério de ferro da Samarco Mineração S.A. (Mariana, Minas Gerais, Brasil), onde a técnica de Interferometria SAR (InSAR) orbital é utilizada para monitorar a estabilidade dos taludes das barragens e áreas no entorno tanto através de estudos históricos (2016) para avaliação do evento que ocorreu em 2015, como através de um estudo de monitoramento contínuo para apoiar as normas de segurança durante a operação diária.

ABSTRACT This paper describes the way Synthetic Aperture Radar (SAR) data is obtained and processed and presents the results of the Samarco mine (Mariana, Minas Gerais, Brazil) where orbital SAR Interferometric technique (InSAR) is being used to monitor slope stability of dams, water reservoirs and surrounding areas, both through historical studies (2016) to assess the area immediately after the event that took place at the end of 2015, as well as through an ongoing monitoring study to support safety standards during daily activities..


1. INTRODUÇÃO A determinaçãoda localização, da dimensão e da magnitude da deformação do terreno tem importantes implicações nas operações de uma mina. Esses dados fornecem informações de grande valor para uma série de tarefas da mina, como por exemplo, no planejamentoa curto e longo prazo, na gestão da segurança e do risco de infraestruturas críticas, tais comobarragens de rejeitos localizadas próximas a municípios. Atualmente, o mercado oferece uma série de equipamentos geotécnicos que fornecem medidas de deformação com elevada resolução temporal e espacial, além de altíssima precisão, como inclinômetros, extensômetros e radares de campo (SlopeStability Radar- SSR). No entanto, esses instrumentos, com exceção do SSR, fornecem medidas da deformação pontuais [1], o que pode tornar os custos economicamente inviáveis para áreas extensas. Para complementar o monitoramento geotécnico tradicional, muitas minas estão utilizando dados orbitais sistemáticos de Radar de Abertura Sintética (SAR) na detecção e no controle de deformações superficiais através da técnica de interferometria SAR (InSAR) orbital. InSAR é uma técnica de sensoriamento remoto que explora a diferença de fase entre pixels análogos de imagens SAR adquiridas sobre a mesma área em tempos distintos para detectar possíveisdeformaçõesna linha da visada do sensor (LOS – Lineofsight) em um determinado período. Isso é possível uma vez que a fase corresponde a uma grandeza angular que fornece a distância entre o sensor e o alvo localizado na superfície.Nesse sentido, a principal vantagem da técnica InSAR é fornecer a visão global da deformação de toda a mina, com alta resolução espacial e precisão,monitorando assim todas as estruturas mineiras,inclusive as barragens, sem a necessidade de instalação de equipamentos in situ. Esse artigo apresenta os primeiros resultados obtidos coma aplicação da técnica InSAR para monitoramento da Barragem de Germano, inserida na mina de minério de ferro da Samarco Mineração,localizada no município de Mariana, Minas Gerais.As análises estão sendo realizadas a partir de imagens adquiridas pelo sensor SAR a bordo do satélite italiano Cosmo SkyMedem geometrias de visada ascendente e descendente. Para o estudo, a combinação dessas geometrias permite, além da visualização de deslocamentos em LOS, a projeção do movimento resultante na componente vertical e horizontal (leste-oeste).

2. METODOLOGIA

2.1. Princípios deDInSAR A Interferometria Diferencial de Radar de Abertura Sintética (DInSAR) é uma técnica de sensoriamento remoto que mede a deformação no terreno a partirde uma sequência de imagens SAR complexas.A principal informação utilizada para análise DInSAR é a fase interferométrica obtida através da computação da diferença de fase entreum par de pixel análogo de imagens SAR, que produz o interferograma. Entretanto, a informação da fase do interferograma não está relacionada apenas a deformaçãoocorrida entre o tempo de aquisição das duas imagens,mas também à topografia da área, possíveis ruídos do sistema bem como àartefatos atmosféricos como apresentado na Equação 1.


∆φ = φdeformação + φtopografia + φatmosfera + φruídos (1) Onde: φdeformação é a diferença de fase ocorrida na superfície entre as aquisições, φtopografia é a componente relativa a topografia, e φatmosfera é a componente atmosférica devido às flutuações da composição, e φruídos é a componente relativa a ruídos devido ao próprio sensor. A componente relativa à topografia é removida facilmente através da simulação da fase a partir do Modelo Digital de Elevação (DEM) do terreno. Entretanto, as outras componentes são mais difíceis de serem extraídas e eliminadas, especialmente a relativa à atmosfera,requerendo algoritmos mais robustos para tanto. Como a fase é uma grandeza angular que varia de 0 a 2π,para alcançar o valor real da deformação, é necessário executar o desdobramento da fase interferométrica. O desdobramento computacionalé aetapa mais crítica da cadeia de processamentoe consiste na estimaçãoda ambiguidade da fase. Particularmente, com apenas um interferograma (diferença de fase entre duas imagens SAR) o gradiente da fase entre dois pixels muito próximosé inferior a π, sendo que π corresponde a deformação em LOSde λ/4. λcorresponde ao comprimento de onda do sinal do radar, por exemplo: λ =5,66 cm parasensores de banda C ouλ =3,1 cm para sensores de banda X. Esses valores indicam um claro limite na detecção do máximo gradiente espacial da técnica InSAR, ou seja, não detecta movimentos abruptos e maiores que λ/4 cm. Nesse sentido, para minimizar essa limitação o intervalo temporalentre as imagens deveser reduzido. Assim, para fenômenos de movimentos lentos,o escopo principal é o limite mínimo de detecção. Nesses casos, podem ser adquiridas múltiplas imagens SAR durante longos períodos temporais, a fim de obter um conjunto de dados redundantes de observações DInSAR. O fato de adicionar redundância resulta na vantagem de remover ruído e artefatos atmosféricos a partir do sinal de fase. Atualmente, algumas técnicas avançadas de DInSARque recuperam informações sobre o movimento do terreno a partir de conjuntos de dados interferométricos redundantes podem ser encontradas na literatura. Esses incluem os PermanentScatters[2] e o SmallBaselineSubset[3,4]. Outras abordagens interessantes podem ser encontradas em [5], [6] e [7]. No melhor dos casos, a precisão da velocidade pode ser inferior a 1 mm/ano, como descrito em [8]. A maioria dessas técnicas trata de técnicas PSI, explicadas a seguir.

2.2. Técnicas PSI,metodologiaSqueeSARTM, estimação movimento milimétrico

Técnicasavançadas deDInSARaplicadas a um conjunto de interferogramassão conhecidas como técnicas de Interferometria por espalhadores persistentes ou Persistentscatterinterferometry (PSI). PS - PermanentScatterers (Espalhadores Persistentes) são alvos que refletem energia de maneira constante e estão sempre presentes nas imagens SAR (refletores, construções civis, afloramentos de rochas,


etc). Os PS são pouco afetados pela falta de correlação e podem ser utilizados para estimar e remover a fase atmosférica [9]. TécnicasPSIestão relacionadas coma detecção de deslocamentos milimétricos e centimétricos na superfície do terrenocausada por atividades subterrâneasouinstabilidades lentas[10]. A família de algoritmos PSIpode identificar alta quantidade de pontos refletores (alta coerência) nas imagens SAR e a partir disso detectar a deformação. Modelagens robustas são aplicadas sobre esses pontospara estimar a precisão da altura, a média da taxa de deslocamentoe a evolução temporaldo deslocamento. Assim, durante o processamento, os artefatos atmosféricossão removidos. A base da técnica PSI consiste na separação de cada componente: deformação, erro topográfico, artefatos atmosféricoseruído da fasea partir da informação da fase dos interferogramas originais. Em cada etapa do processamento, utilizando uma pilha deinterferogramas(originados a partir de 20 imagens), artefatos atmosféricossão estimados e compensadospelo uso de filtros assim como os valores das contribuições da deformação e topografia são extraídos através de uma análise de alta resolução. Durante anos, as análises InSAR foram executadascom base na posição e controle de PS, refletores muito coerentesque podem ser detectados ao longo de um conjunto de dados. A aplicação PS-InSAR [2]foi capaz de recuperardados com precisão milimétricana estimativa do movimento,com resultados muito bons especialmente em áreas urbanas. Entretanto, a maior limitação da aplicação foi a baixa densidade de pontosem áreas não urbanasou áreas sem infraestruturas. Com o intuito de obter melhores resultados especialmenteem áreas não urbanizadas, minas, reservatórios de hidrocarbonetos, ou áreas de deslizamentos, os refletoresconhecidos comoEspalhadores Distribuídos (DS) também foram considerados. A medidado ponto DS correspondea áreasmostrandosinais deretornosimilares. O tamanho da área depende do tamanho do pixele do númerodos pixels adjacentes mostrando o mesmo sinal SAR. Técnicas de processamento avançado utilizandoambos PS e DS aumentamsignificativamente a densidade de pontos de medidasem áreas não urbanizadas. SqueeSARTM [11] é uma dessas técnicas avançadaspor preservar a precisãodo PS-InSAR enquanto expande as possibilidades de investigaçãoe o controle de áreas não urbanizadas, inclusive de regiões montanhosas. O algoritmoSqueeSARTMtambém produz melhorasna qualidade dos deslocamentos das séries temporais. As áreas homogêneas que produzempontos DS normalmenteabrangem vários pixels. As séries temporais para cada DS são estimadaspela médiadas séries temporais de todos os pixels dentro do DS, reduzindo efetivamente o ruído nesse dado. O número depontos PS e DS tipicamente aumenta ao longo do tempo conforme mais imagens são adquiridas, mesmo que as operações da mina ativa tendama alterar continuamente a superfície e, portanto, diminuiro número de alvos estáveis[12].

3. ESTUDO DE CASO

3.1. Área de interesse


A área de interesse está localizada a aproximadamente 60 km a sudeste de Belo Horizonte, no estado de Minas Gerais, a norte do município de Mariana. A área do processamento InSAR engloba a mina do Germano e a sua infraestrutura operacional, bem como as minas de Alegria, de Fabrica Nova e de Timbopeba. A área total de estudo possui aproximadamente 164 km2 (Figura 1). Por estar inserida no Quadrilátero Ferrífero, a atividade mineira é predominante na área de estudo. As imagens orbitais apresentam elementos de terreno comuns às explotações mineiras a céu aberto como cavas, pilhas de rejeito e barragens, assim como infraestruturas de transporte e processamento do minério.

FIGURA 1: Mapa de Localização da Área de Interesse (destacada em vermelho).

Em relação ao terreno da área de estudo, a área de maior interesse para o monitoramento de deformações é a Barragem de Germano, que está dividida em quatro estruturas auxiliares: Baia 3, Sela e Tulipa, Selinha e Barramento Principal (Figura 2).


FIGURA 2: Setorização da Barragem do Germano: (1) Baia 3, (2) Sela e Tulipa, (3)

Selinha e (4) Barramento Principal da Barragem do Germano.

A Baia 3 é uma sub-estrutura da Barragem do Germano, construída com a finalidade de receber os rejeitos finos (lamas) provenientes do processo de beneficiamento do minério de ferro. Essas lamas são classificadas como silte-argilosos e possuem baixa permeabilidade. Os Diques de Selinha e Sela e Tulipa são estruturas construídas em rejeito compactado, para o barramento de selas topográficas. Essas estruturas receberam reforços após o evento da ruptura da Barragem do Fundão, em novembro de 2015.Já o Barramento Principal da Barragem do Germano, construído também em rejeito compactado, possui 160 metros de altura e foi construído pelo método de alteamento para montante. É importante ressaltar que, durante todo o período desse estudo, não houve disposição de rejeitos em nenhuma das estruturas citadas.


3.2. Dados

Para esse estudo, foram utilizadas 29 imagens em modo ascendente e 28 em modo descendente adquiridas pelo sensor SAR a bordo do satélite Cosmo SkyMed, abrangendo o período de dezembro de 2016 a dezembro de 2017.Na Figura 3, observa-se a sobreposição das imagens SAR sobre o terreno, bem como o recobrimento total da área de interesse destacada em vermelho. Para o estudo, a combinação dessas geometrias permite, além da visualização de deslocamentos para cada visada, a projeção do movimento resultante na componente vertical e horizontal (leste-oeste). As cenas SAR oferecem a visão sinóptica de toda a mina em LOS, com visada para leste e ângulo de incidência de 38° para a órbita ascendente e visada para oeste e inclinação de 39° no modo descendente. As imagens foram adquiridas regularmente, com intervalo de até 11 dias entre uma aquisição e outra. O sensor SAR desse satélite opera em banda X. A partir desse conjunto de dados foram obtidos mapas de movimento com resolução de 3 m e precisão na ordem de 5 mm/ano, com densidade de até 1100pontos/km2no modo ascendente e descendente.

FIGURA 3: Mapa de Localização da Área de Interesse (destacada em vermelho).

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

O produto obtido através do processamento InSAR é o mapa de deformação que representa a movimentação do terreno em velocidade média anual (mm/ano) para


toda a mina da Samarco. Nesse trabalho, serão destacados os resultados obtidos para a área da Barragem de Germano. As medidas de deslocamento são em relação a linha de visada do sensor (LOS), eixo horizontal (leste-oeste) e vertical.Em síntese, no produto InSAR a distribuição dos pontos não é homogênea: uma grande densidade ocorre em áreas de atividades de mineração como taludes de cavas e de pilhas de rejeitos, etc., nos locais de infraestrutura das minas e ao longo das exposições rochosas, ao passo que a quantidade de pontos detectados em áreas de vegetação ou de constantes reparos é bem inferior, pois trata-se de alvos com respostas não estáveis. Para os resultados obtidos em visada ascendente ou descendente é preciso considerar que pontos com coloração vermelha são indicativos de afastamento em relação ao sensor, enquanto que o azul reflete aproximação em relação ao sensor e verde aausência de movimentos. Ao longo do monitoramento, os pontos detectados no setor que engloba a Barragem do Germano indicarammovimentos deafastamento em relação ao sensor, dependendo do setor como aponta as Figuras 4 e 5.Destaca-se os pontos detectados na seção da Baia 3, onde foram detectadas as maiores taxas de deslocamento, que sugeremacompactação das lamas em superfície.


FIGURA 4: Mapa de Movimento Médio Anual [mm/ano] em Modo Ascendente e Linha de Visada do Satélite (LOS) Sobre a Área das Barragens Localizada no

Centro da Área de Estudo.


FIGURA 5: Mapa de Movimento Médio Anual [mm/ano] em Modo Descendente e

Linha de Visada do Satélite (LOS) Sobre a Área das Barragens Localizada no Centro da Área de Estudo.

As Figuras6 e 7 apresentam os mapas de deslocamentos no eixo horizontal e vertical. Os perfis das Figuras8, 9, 10 e 11 apontam as tendências dos pontos inseridos em cada seção da Barragem de Germano. Como era esperado, a decomposição dos vetores indica que os principais movimentos detectados são de componente vertical, refletindo mecanismos de recalque do terreno.No eixo vertical, foram detectados pontos com taxa de deformação de até -72,80 mm/ano na área da Baia 3, de até -16,80 mm/ano em Sela e Tulipa, de até -29,90 mm/ano em Selinha e de até -10,0 mm/anono Barramento Principal.Além disso, movimentos pequenos de componente horizontal também são detectados sobretudo para todas as sessões da barragem, como é observado nas séries temporais.


FIGURA 6: Imagem Ilustrando a Decomposição de Movimento na Horizontal, leste -

oeste.


FIGURA 7: Imagem Ilustrando a Decomposição de Movimento naVertical.


FIGURA 8: Séries Temporais Apresentando a Tendência do Movimento em LOS (visada ascendente e descendente), na Componente Horizontal e Vertical de Pontos Inseridosna Seção da Baia 3.

FIGURA 9: Séries Temporais Apresentando a Tendência do Movimento em LOS

(visada ascendente e descendente), na Componente Horizontal e Vertical de Pontos Inseridos na Seçãode Sela e Tulipa.


FIGURA 10: Séries Temporais Apresentando a Tendência do Movimento em LOS (visada ascendente e descendente), na Componente Horizontal e Vertical de Pontos

Inseridos na Seção de Selinha.

FIGURA 11: Séries Temporais Apresentando a Tendência do Movimento em LOS (visada ascendente e descendente), na Componente Horizontal e Vertical de Pontos

Inseridos na Seção do Barramento Principal da Barragem de Germano.

5. CONCLUSÕES A técnica InSARvem sendo muito utilizada na complementação dos métodos tradicionais de monitoramento, pois fornece medidas quantitativas de deformação com alta precisão (mm/cm), com grande densidade de medições (resolução espacial


elevada), cobrindo grandes áreas (visão sinóptica), e sem necessidade de instalação de equipamentos de campo. O processamento DInSAR executado a partir de28 a 29 imagens do sensor a bordo do satélite Cosmo SkyMed, adquiridas no período de dezembro de 2015 a dezembro de 2016, forneceu informações sobre deformações do terrenono setor da Barragem de Germano. As maiores taxas de deformações registradas, no reservatório da Baia 3, possuem valores coerentes com a acomodação das lamas presentes em seu interior. Nas demais estruturas, construídas em aterro compactado, as taxas de deformações medidas foram consideravelmente inferiores e indicam a estacionariedade das estruturas. Esse artigo demonstrou que a técnica InSAR é uma excelente ferramenta para monitorar deformações de barragens de mina a céu aberto, fornecendo informações essenciais para o planejamento e avaliação de riscos em mineração.

6. AGRADECIMENTO

Os autores agradecem àSamarco pelo apoio epela disponibilizaçãodos resultados e à equipe da IDS BRAZIL, representantes da TRE ALTAMIRA no Brasil, por todo o auxílio e suporte.

7. PALAVRAS-CHAVE InSAR, barragens, mina a céu aberto, deformação de superfície, Cosmo SkyMed

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